閂鎖 Latch-up：那顆一直沒有關掉的保護元件

這塊板子在做什麼

一個 5V 電源軌上的 USB Type-C 埠。很普通的設計：連接器、資料線和 VBUS 上的 ESD 保護，後面接控制 IC。工程師選保護元件的方式跟多數人一樣，看規格書上哪一顆的箝位電壓最低。箝位越低，打到晶片的電壓越小，所以低的一定比較安全。

實際發生的事

在 ±8kV 接觸放電測試時，這個埠沒有反應了。之後在測試台上量到：

• VBUS 停在大約 2.4V，而不是 5V
• 流進保護元件的電流遠高於正常漏電流，是毫安培，不是奈安培
• 用手摸得出來元件是溫的
• 重新上電之後，一切又恢復正常

最後那一點才是重點。燒掉的元件不會因為你把電拿掉再接上就復原。這顆元件沒有壞。它是在導通，而且從放電那一刻起就一直導通，遠比放電本身持續得久。

大家最先想到的答案

最直覺的解讀是「突波比這顆料撐得住的還大，所以換一顆更強的」。這會讓人去挑突波耐量更高的元件，通常是更大的晶粒，通常也代表更高的電容。在 USB 3.x 的高速線上，這個電容會傷到訊號完整性，於是設計從一個問題變成兩個問題。

而且這樣完全沒有解決問題，因為根本沒有東西被打壞。要看出真正發生什麼事，必須看這顆元件在導通過程中的行為，而唯一能看到這件事的量測是 TLP 曲線。

能看出問題的量測

TLP（Transmission Line Pulse，傳輸線脈衝）測試會對元件打一個很短、而且控制得很精確的脈衝，同時記錄元件兩端的電壓和流過的電流。把準位一階一階往上加，就得到這顆元件真正的電流-電壓曲線，不是行銷數字，是實際行為。

從左往右看：

• 從 0V 到 6.3V，元件是關的，幾乎沒有電流。這就是觸發電壓，通常寫成 V_t1。
• 到了 6.3V 它導通了，而且元件兩端的電壓往回掉到大約 2.4V。這一段折返就是它名字的由來：回拉（snapback）。
• 從這裡開始導通，一路上升到 11V／16A。導通時電壓這麼低，正是回拉型元件箝位數字那麼漂亮的原因。

真正重要的數字是折返最底下那一個：保持電壓 V_h。元件兩端電壓低於它，元件才會放手；高於它，元件就繼續導通。

它為什麼關不掉

放電把元件觸發了。這沒問題，那本來就是它的工作。問題在於它被觸發之後，看到的是什麼。

這顆元件跨在一條帶電的 5V 軌上。它的保持電壓是 2.4V。突波過去以後，電源軌還在，還能繼續推電流，也還把元件維持在大約 2.4V，遠高於它會放手的準位。所以它就一直開著。

現在電源正在餵一條直接對地的低阻抗路徑。這就是為什麼 VBUS 量到 2.4V、電流那麼大、元件是溫的。這也是為什麼重新上電就好了：把電源軌拿掉，是唯一能讓電壓低於 V_h 的方法。這就是 閂鎖（latch-up）。放著夠久，熱最後還是會把元件燒掉，然後這個失效看起來就像一顆不夠強的料，於是下一個工程師又被帶回錯的結論。

它為什麼有地方可以待著

上面這些其實有更精確的說法，而且值得畫一張圖。把電源能提供的能力，跟元件畫在同一組座標上，然後看它們在哪裡相交。

A 點是板子正常工作：元件兩端 5V，沒有電流流過它。B 點是故障：2.4V，有電流。關鍵字是兩個都是，每一個都是電路可以無限期停留的位置。ESD 脈衝並沒有打壞任何東西，它只是把電路從 A 帶到 B；到了 B 之後，電路裡沒有任何東西會把它推回去。

這就是「會自己恢復的故障」和「不會自己恢復的故障」之間的差別。如果這顆元件沒有回拉，它的導通分支會整段落在電源軌右邊，就不會有第二個交點，只有一個位置可以待，就不可能閂鎖。回拉造就了第二個「家」。

兩種不同的故障同名

這件事值得小心分開講，因為同一個詞被用在兩件不同的事情上，而且解法不一樣。

第一種是被保護晶片內部的閂鎖。任何 CMOS 製程裡都存在一個沒有人想要的四層結構，NMOS 的源極、P 型基板、N 井、PMOS 的源極，疊起來就是 P-N-P-N。那是一顆沒有人設計、也沒有人想要的閘流體。它的行為等同於兩顆雙極性電晶體互相接到對方的基極。正常情況下兩顆都是關的，只漏幾個奈安培。但只要有東西對其中一顆注入足夠的電流，它就會把另一顆打開，另一顆又把第一顆開得更大，兩顆就一起鎖進一條從 V_DD 直通接地的低阻抗路徑。當初引發它的突波早就消失了；是電源在維持它。

第二種是保護元件自己閂鎖，也就是這篇講的失效。控制 IC 內部什麼事都沒有發生。是 TVS 回拉到它的保持電壓，而電源軌高到足以把它維持在那裡。

在測試台上，這兩種看起來幾乎一模一樣：電源軌垮到某個奇怪的固定值、電流高得離譜、某個東西是燙的，重新上電就好了。差別在於是哪一顆元件在承受這個電流。如果發燙的是保護元件，那就是保護元件閂鎖；如果發燙的是控制 IC，而保護元件是涼的，那閂鎖就在晶片裡面。把保護元件的一腳掀起來再測一次，一分鐘就能分辨。

真正的觸發原因

兩種閂鎖都需要有東西先注入第一波電流。實務上是：

• 埠上的突波。ESD、突波、帶電熱插拔，或是纜線本身儲存的電荷灌進連接器。這是最常見的一種，而且 USB Type-C 埠每天都在遇到，它本來就是設計成可以帶電插拔的。
• 電源軌上升太快。上升很快、或是開機時有過衝的電源，可能在板子都還沒開始工作之前，就把足夠的位移電流推過寄生結構，把它觸發。
• 重負載讓電源軌晃動。如果一個大的電流階躍把電源拉下來、或是把區域接地墊高，晶片內部不同位置之間的電位就會偏移，而這個偏移可能讓一個本來應該關著的接面順偏。
• 選了一顆保持電壓低於電源軌的保護元件。這一項只會造成第二種閂鎖，而且和前面三項不一樣，它不是運氣不好，是幾個月前在辦公桌前做的一個選型決定。

前三項是你要去管理的條件。最後一項則是可以直接避免的，而且避免它一毛錢都不用花，這也正是在成品裡發現它時，最讓人不甘心的地方。

它對板子做了什麼

閂鎖不是一個事件，而是板子被卡住的一個狀態。傷害是一階一階累積的，能走到哪一階，取決於電源被留著多久，以及它能供應多大的電流。

1. 電源軌垮到保持電壓。不是垮到 0V，而是垮到被閂鎖的元件停在的那個值。在這塊板子上，5V 變成 2.4V。掛在這條軌上的每一顆 IC，現在都在低於它最低工作電壓的條件下運行。
2. 通訊中斷或出錯。這個埠掛掉，或者更糟，時好時壞。在資料線上，同樣的故障表現成錯誤與重傳，而不是乾脆的失效，這種更難追。
3. 電流隨著發熱繼續上升。被閂鎖的路徑阻抗很低，電源會供應到自己的極限為止。如果電源有限流，它會跟閂鎖對抗，然後兩邊都發燙；如果沒有限流，電流就只受板子本身限制。
4. 有東西因為 EOS 燒掉。是電性過應力（EOS），不是 ESD，是慢慢熱死，不是瞬間打死。通常是被閂鎖的元件短路而死。有時候是打線斷掉。有時候是後面那顆晶片先走。

最後這一階，正是這個失效會在不同產品上一再重演的原因。一旦熱把保護元件燒掉，閂鎖的證據也跟著消失了。送到失效分析檯上的，是一顆短路的 TVS，裝在一塊 ESD 測試沒過的板子上，看起來就跟一顆不夠強的料一模一樣。於是下一版換上一顆突波耐量更高的元件，而且很常是保持電壓一樣的元件。板子用同樣的方式再失效一次，而且現在資料線上還多了電容。

如果這篇只讓你帶走一個診斷習慣，請帶走這一個：重新上電就會復原的保護元件，從來就不是不夠強。在你去訂一顆更強的料之前，先去看保持電壓。

最低箝位電壓的陷阱

接下來是比較難堪的部分。回拉型元件之所以箝位電壓低，正是因為它會回拉。回拉就是它的賣點。所以當你把代理商的料表照箝位電壓排序、然後挑最漂亮的那個數字時，你其實是在悄悄地挑出保持電壓最低的那些元件，也就是最容易在帶電軌上閂鎖的那些。

規格書上最吸引人的那個數字，正是製造風險的那一個。

解法

有兩個都成立的答案，用哪一個取決於這條網路是什麼。

1. 繼續用回拉型，但要把數字算過。規則很簡單：V_h 必須高於這條電源軌可能到達的最高電壓，包含公差和任何過衝。只要電源軌永遠不可能把元件維持在 V_h 或以上，它就不可能閂鎖。
2. 改用不會回拉的元件。一般崩潰箝位型沒有折返，它只在崩潰電壓以上才導通，所以 5V 軌根本沒辦法讓它繼續開著。你犧牲一點箝位性能，換掉整個失效模式。

在前面那塊板子上，第二個選項才是對的。VBUS 是一條永遠帶電的軌，沒有人會想要一顆「能不能正常工作要看電源公差」的保護元件。

為什麼有些元件會回拉

會有人問：那為什麼有人要做一顆可能被維持在導通狀態的保護元件？答案是，回拉不是缺陷，它正是那些元件箝位表現那麼好的全部原因。保護元件大致分成三種結構，而折返的形狀就是它們的分野。

• 崩潰箝位型。一個在崩潰電壓以上開始導通、然後一路往上的二極體接面。沒有折返，所以沒有保持電壓要檢查，低於它崩潰電壓的電源軌也沒辦法把它維持在導通。代價是導通電流上升時，它兩端的電壓也跟著上升，所以三者之中大電流下的箝位能力最弱。
• BJT 型。一顆由集極崩潰觸發的雙極性電晶體。導通之後靠電晶體作用把電壓壓下來，所以它會回拉，但幅度不大。這一類卡在很尷尬的中間：折返是真的存在，而保持電壓又常常剛好落在常見的電源軌電壓附近。這是最容易讓人踩到的一群，因為規格書看起來沒有誇張到會提醒你去檢查。
• SCR 型。一個刻意做出來、而且受控制的四層閘流體，跟 CMOS 晶片裡那個意外形成的結構是同一種東西。兩半互相把對方鎖在導通狀態，所以電壓塌得很深。這讓它有三者中最低的箝位電壓，而且是用很小的晶粒做到的，也就代表很低的電容。它是每平方微米能買到最好的保護，同時也是那個只要電源軌允許，就會一直坐在那裡導通的元件。

所以真正的排序不是「哪一個最好」。折返越深，箝位越好、晶粒越小、電容越低，同時電源軌把它維持在導通的機會也越高。你是在這個取捨上選一個位置，而答案完全取決於這條網路上有沒有直流電源。

從規格書就看出來

在一顆保護元件被放到帶電網路上之前，做三件事：

1. 先找保持電壓。如果規格書有列 V_h，把它跟你這條軌的最高電壓比。V_h 比較低，這顆料就有可能在這條網路上閂鎖。
2. 看 I-V 或 TLP 曲線。只要曲線往回折，它就是回拉型元件，不管行銷文案怎麼寫。曲線一路往上不回頭，就不是。
3. 看看廠商有沒有告訴你。有些廠商根本不公布保持電壓。如果你打算把一顆料跨在帶電軌上，而它沒有這個數字，就去要，或者換一顆有公布的。

有一件事不能拿來判斷：料號。字首只是產品系列的名稱，不保證導通機制，而且整個業界都一樣，包含我們自己的產品線在內，同一個系列裡可能同時有兩種。真正能定案的是上面那三個檢查。如果你不想一顆一顆看完整份 BOM，把帶電電源軌上的料號給我們，我們幫你把維持電壓和你的電源電壓一一比對。

回拉型不是壞元件

在這裡用「避開回拉型」收尾很容易，但那是錯的。在高速資料線上，回拉型常常是更好的選擇：它給你更低的箝位電壓，而且是用很低的電容做到的，這正是多 Gbps 的通道需要的。而且資料線上沒有直流電源，所以脈衝過後根本沒有東西可以把它維持在導通。

同一顆元件，在資料線上是很好的選擇，跨在電源軌上就是負債。它從來就不是一顆爛料。它是一顆被放錯網路的好料。